高效太阳能电池制作工艺

高效太阳能电池制作工艺
(1) 光陷阱
光面的太阳电池表面对太阳光的反射率在35％以上，如果不做处理，则太阳电池的短路电流势必很低，无法达到高效性能。

为了降低反射，采用光陷阱结构非常必要。

目前，对于高效单晶硅电池，可采用光刻倒置金字塔结构和化学腐蚀制绒面。

倒置金字塔结构虽然对光线有更好的作用，但是光刻法成本较高，不适合在生产上使用。

由于单晶硅材料在碱性腐蚀液里进行腐蚀时，（100）面的腐蚀速度快于（111）面，如果将单晶硅片（100）面作为电池的表面，经过腐蚀后就会出现以四个（111）面形成的金字塔结构。

由于化学腐蚀法容易控制、成本低廉、便于大规模生产，所以目前高效硅太阳电池工业化生产都是采用这种方法制绒面。

采用这种金字塔结构的电池，其表面反射率会降至10％以下。

(2) 减反射膜
为了进一步减少入射光损失，可在电池的表面上蒸镀减反射膜。

它的基本原理是位于介质和电池表面具有一定折射率的膜，可以使入射光产生的各级反射相互间进行干涉从而完全抵消。

减反射膜本身的折射率和厚度对其减反射效果具有决定性作用，它们要满足以下关系[42]：
单层减反射膜:
式中n0为进入减反射膜前介质的折射率，n1为单层减反射膜的折
射率，n2为硅的折射率，t为减反射膜的厚度。

双层减反射膜：
式中n0为进入减反射膜前介质的折射率，n1、n2为双层减反射膜的折射率，n3为硅的折射率，t1、t2为双层减反射膜的厚度。

对于单晶硅电池来说，一般可以采用TiO2、SiO2、SnO2、ZnS、MgF2单层或双层减反射膜。

在制好绒面的电池表面上蒸镀减反射膜后可以使反射率降至2％左右。

减反射膜不但能减少光反射，提高电流密度，还可以保护电池不被污染，防止电极变色，提高电池的稳定性。

(3) 钝化层
钝化工艺是制造高效太阳电池的一个非常重要的步骤，在一定程度上说，它是衡量高效电池的重要标志。

对于没有进行钝化的太阳电池，光生载流子运动到一些高复合区域后，如表面和电极接触处，很快就被复合掉，从而严重影响电池的性能。

采取一些措施对这些区域进行钝化后可以有效地减弱这些复合，提高电池效率。

一般来说，高效太阳电池可采用热氧钝化、原子氢钝化，或利用磷、硼、铝表面扩散进行钝化。

热氧钝化是最普遍最有效的一种方式，在电池的正面和背面形成氧化硅膜，可以有效地阻止载流子在表面处的复合。

除此之外，氧化硅层还可以起到减反射膜、化学镀的掩膜、防止硅片污染等作用。

目前，采用TCA（三氯乙烯）工艺生长的氧化硅层钝化效果较高。

利用原子氢对电池也有很好的钝化，一般认为，硅的表面有大量的悬挂键，这些悬挂键是载流子的有效复合中心，而原子氢可以中和
悬挂键，所以减弱了复合。

利用PECVD和“alneal”工艺可以在硅片的界面处产生原子氢，因为PECVD法发展较成熟，这里不做介绍。

“alneal”工艺是指在正面的氧化层上蒸镀铝膜，然后在370 ℃的合成气氛（4％H2+96％N2）中退火30 min，最后用磷酸腐蚀掉这层铝膜。

经过“alneal”工艺后，载流子寿命和开路电压都得到较大提高。

这种工艺的原理是，在一定温度下，铝和氧化物中OH-离子发生反应产生了原子氢，从而对Si/SiO2的界面的一些悬挂键进行钝化。

利用磷、硼或铝在电池的表面进行扩散，形成背场，迫使少数载流子远离表面，减少复合几率，这也是一种钝化。

(4) 背场
增加背电场是提高电池效率的有效途径。

如在p型材料的电池中，背面增加一层p+浓掺杂层，形成p+-p的结构，那么在p+-p的界面就产生了一个由p区指向p+的内建电场。

假设p+区杂质强电离，那么这个内建电场的电压为，式中NA+和NA分别为p+区和p区的电离杂质浓度。

由于这个内建电场所分离出的光生载流子的积累，形成一个以p+端为正，p端为负的光生电压，这个光生电压与电池结构本身的pn结两端的光生电压极性相同，从而提高了开路电压V oc。

另外，由于背电场的存在，使光生载流子受到加速，这也可以看作是增加了载流子的有效扩散长度，因而增加了这部分少子的收集几率，短路电流Jsc也就得到提高。

另外，背电场的存在迫使少数载流子远离表面，复合率降低，使暗电流减少。

制作背面场的方法较多，如蒸铝烧结、浓硼或浓磷扩散等。

其中，
在电池背面采用定域扩散制背场具有较好的优越性，既产生了内建电场，同时又减少了电极与基体接触面积，使金属与半导体界面的高复合速率区域大大减少。

并且相对于背面全扩散浓掺杂结构，定域掺杂由于大大减少了浓掺杂面积（一般只占全背面积的1～2％），所以也大大降低了背面的表面复合，因而更好地提高了太阳电池的性能。

(5) 改善衬底材料
制备高效太阳电池首要就是选择高质量的硅片作衬底，如一些实验室制作的高效电池都是采用FZ硅。

但是这种硅片成本很高，不宜于大规模生产。

高效太阳电池的发展方向之一就是要将低硅片的成本。

直拉单晶硅材料虽然成本较低，但是用硼掺杂的p型硅片制作的电池效率却较低，并且在光照甚至在黑暗中储藏时性能也会不断降低。

产生性能退化的最根本原因是该材料中氧含量较高，在光照的情况下会和掺杂的硼发生反应。

因此解决性能退化的有效办法是避免大量的氧原子和硼原子同时在硅片里存在[43]。

现在有两种重要的途径：一是利用磁聚焦直拉法生产单晶硅，在这种MCZ（B）硅材料中氧含量较低；另一种方法是采用其它掺杂源替代硼在硅材料中进行掺杂，如镓。

用这两种硅材料制作的电池性能比CZ(B)都有较大的改善。

n型硅材料也是一种很好的选择，具有一些特定的优点，如载流子寿命长、制结后硼氧反应小、电导率好、饱和电流低等。

国外一些厂家已经用n型硅生产出高效太阳电池。

在太阳电池迅速发展和p型单晶硅材料日益紧张的情况下，相信这种材料会很快得到广泛应用。